Notizie PCB - Sfide progettuali degli amplificatori digitali ad alta potenza

Le sfide di progettazione degli amplificatori digitali ad alta potenza includono:1) problemi SMPS, tra cui problemi di topologia e progettazione ad alto flusso; 2) Componenti importanti in SMPS e percorsi di segnale ad alto flusso devono essere correttamente designati per gestire potenza e corrente superiori; 3) Problemi di progettazione del circuito stampato (PCB), compresa la larghezza della linea di segnale e l'interferenza elettromagnetica (EMI).

In generale, i prodotti stereo o multicanale che possono raggiungere i 300 W per canale devono essere in grado di raggiungere continuamente i 600 W per conformarsi alle normative stabilite oggi dalla Federal Trade Commission (FTC). Secondo le normative FTC, i canali sinistro e destro devono continuare ad esercitare la massima potenza per cinque minuti prima che il produttore possa rivendicare questa potenza come potenza nominale. Poiché l'alimentazione in modalità switch (SMPS) è attualmente la tecnologia di alimentazione più comunemente utilizzata per gli amplificatori digitali, questo richiede che SMPS fornisca almeno cinque minuti di livello di potenza da 600 W. Dal punto di vista della dissipazione del calore, cinque minuti sono un tempo relativamente lungo. Infatti, l'SMPS deve essere in grado di raggiungere continuamente questa potenza. Per questa elevata potenza, si consiglia generalmente di utilizzare SMPS push-pull, half-bridge o full-bridge. Per quanto riguarda i progetti SMPS a bassa potenza (meno di 200 W), la topologia inversa è più spesso utilizzata. Questo articolo non spiega perché push-pull o half-bridge SMPS è adatto per livelli di potenza elevati, ecc. Quanto segue fornisce solo una breve descrizione. Nel SMPS inverso viene utilizzata solo una parte della curva B-H magnetica del trasformatore (cfr. figura 1). Inoltre, il SMPS inverso ha una struttura più semplice e costi inferiori.

Poiché l'alta corrente dell'SMPS ad alta potenza causerà un flusso magnetico estremamente elevato nel trasformatore SMPS, l'uso dell'intera curva del ciclo di isteresi B-H può ridurre la perdita del nucleo magnetico. La topologia push-pull o half-bridge può aumentare la potenza di SMPS, tuttavia, anche la complessità e il costo del progetto aumentano. Inoltre, è necessario sostituire i componenti utilizzati nel SMPS per ottenere alta potenza e alta corrente. Il trasformatore SMPS deve anche essere ingrandito per gestire alta potenza e alta corrente. Per l'ingresso 220 VAC, la corrente di picco di 600 W SMPS può raggiungere 15 ampere. Per i modelli da 110 VAC (da 90 VAC a 136 VAC), si consiglia di utilizzare un raddoppio di tensione o una correzione del fattore di potenza (PFC) dopo il filtro, perché per 600 W SMPS con ingresso da 90 VAC a 136 VAC, la corrente in ingresso sarà piuttosto grande. I componenti che devono essere attentamente monitorati includono il condensatore raddrizzatore AC-DC principale in ingresso e il condensatore ausiliario di eliminazione della tensione di ripple DC. Inoltre, il filtro di linea EMI in ingresso deve anche essere in grado di sostenere l'aumento del carico di potenza. Poiché la progettazione di questi alimentatori è abbastanza complicata e richiede conoscenze professionali, si consiglia generalmente di utilizzare gli alimentatori SMPS esistenti. Ci sono altre considerazioni quando si progetta per una corrente di ripple più elevata. Ad esempio, secondo il circuito mostrato in Figura 2, quando la tensione del ponte H (PVDD) è 50V, viene utilizzato un induttore 10Â µH e la frequenza di commutazione è 384 kHz, la corrente di ripple in un sistema che utilizza TAS5261 può raggiungere 1,6 ampere. Ciò significa che l'induttanza e la capacità nel filtro LC in uscita e nel condensatore PVDD devono essere in grado di gestire la corrente di carico e questa corrente di ripple. La presenza di alta corrente nell'induttanza del filtro significa anche che l'induttore deve avere una resistenza DC abbastanza bassa (meno di 25 milliohm consigliato). Tuttavia, anche se la resistenza è abbastanza bassa, l'induttanza del filtro soffrirà di perdita di I2R. L'induttore deve essere in grado di rispondere all'aumento di temperatura risultante, in particolare al materiale del nucleo. Il design di riferimento TAS5261 include una tabella dei materiali e un numero di parte specifico dell'induttore.

Le linee di segnale PCB dell'amplificatore ad alta corrente e SMPS devono avere la resistenza minima per ridurre al minimo la perdita di I2R. In generale, questo significa che dovrebbero essere utilizzati 2 once di rame e le linee di segnale dovrebbero essere il più larghe possibile. La figura 3 mostra le linee di segnale della scheda PCB di progettazione di riferimento TAS5261. Al fine di ridurre al minimo i problemi di EMI e prestazioni audio, è necessario seguire la configurazione il più possibile e applicare questa configurazione all'estremità alta tensione / alta potenza dello stadio di alimentazione completamente invariata. La linea di segnale ad alta potenza si trova sul lato destro del circuito integrato (IC) sullo strato superiore (come indicato dalla freccia). La figura 3 mostra anche la configurazione PCB del progetto di riferimento TAS5261.

Il nuovo stadio di potenza ad alto wattaggio degli amplificatori digitali aiuta a sviluppare prodotti e applicazioni più diversificati. I concetti descritti in questo articolo possono aiutare a superare le principali sfide incontrate nei progetti ad alta potenza.